腰伸肌疲勞對人體運動的影響及生理機(jī)制分析

邢 聰1，2，吳 瑛1，2， 項賢林1，2，耿家先1，2，趙小瑜1，2

神經(jīng)-肌肉疲勞是影響人體持續(xù)運動能力的重要因素，可能造成人體各環(huán)節(jié)在運動中產(chǎn)生一定程度的功能障礙［1］。在運動中，人體常出現(xiàn)全身性或局部性的肌肉疲勞，兩種肌肉疲勞類型都會損害人體的姿勢控制。有研究測量了踝、膝、腰椎、肩帶4個關(guān)節(jié)周圍肌肉疲勞對人體姿勢控制的急性影響，發(fā)現(xiàn)以上4個關(guān)節(jié)周圍肌肉疲勞對人體運動產(chǎn)生影響的程度各不同，而下腰部肌肉（Low Back Muscles）疲勞對人體姿勢控制具有最為實質(zhì)的影響［31］。說明腰伸肌疲勞相對于其他肌群疲勞，會給人體運動帶來更大的影響。此外，腰伸肌疲勞是引起下腰疼癥狀及下肢運動損傷的重要誘導(dǎo)因素［56］，也會損害腰部甚至人體遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)的本體感覺能力［60］，并可以妨礙人體緩沖沖擊力負(fù)荷及傳遞力量到遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)［47］。因此，腰伸肌疲勞會導(dǎo)致多種人體運動結(jié)構(gòu)及機(jī)能的改變。國外對于腰伸肌疲勞引起的人體運動結(jié)構(gòu)及機(jī)能改變的研究較為深入且細(xì)致，卻也造成了這一領(lǐng)域知識錯綜復(fù)雜不成體系。本研究的目的是在分析該領(lǐng)域文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)腰伸肌疲勞對人體運動結(jié)構(gòu)及運動機(jī)能產(chǎn)生的影響，理清這些機(jī)能、結(jié)構(gòu)變化的生理學(xué)機(jī)制。

1 研究思路及方法

借助Web of Science及PubMed數(shù)據(jù)庫，以“腰伸肌疲勞/腰部肌肉疲勞（Lumbar Extensor Fatigue/Lumbar Muscles Fatigue）”為主題詞進(jìn)行檢索。以“腰伸肌疲勞”為自變量，“人體運動”為因變量對獲得的文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，進(jìn)而得到腰伸肌疲勞對人體運動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的相關(guān)文獻(xiàn)，并進(jìn)行深入分析，總結(jié)腰伸肌疲勞對人體運動產(chǎn)生的影響并分析生理原因。

2 腰伸肌疲勞導(dǎo)致腰椎關(guān)節(jié)本體感覺能力下降

2.1 腰伸肌疲勞使腰椎關(guān)節(jié)本體感覺能力下降的表現(xiàn)

腰伸肌疲勞對腰椎關(guān)節(jié)本體感覺能力的影響主要表現(xiàn)在兩個方面，降低腰椎關(guān)節(jié)感知動作幅度的敏感性以及影響腰椎關(guān)節(jié)產(chǎn)生特定力量的精確性。

腰伸肌疲勞對腰椎本體感覺能力影響的研究中，測定受試者軀干自主伸展或屈曲到目標(biāo)位置的“重新定位誤差”（Repositioning Errors）結(jié)果顯示，腰伸肌疲勞引起了腰椎“重新定位誤差”較疲勞前明顯的增加（P＜0.000 001）［60，66］。而健康人在正常狀態(tài)下，能夠以相當(dāng)高的精確度來重新呈現(xiàn)上一次脊柱活動的位置，且這一能力在日常生活中不會產(chǎn)生明顯的改變［59］。說明，腰伸肌疲勞造成了軀干感知脊柱位置變化的能力下降。此外，Jean-Alexandre等［4］在腰伸肌疲勞后測定軀干在伸展運動20°及30°時的“重新定位變量”發(fā)現(xiàn)，在完成30°軀干伸展相比于20°時，軀干伸展絕對誤差有明顯的增加。說明，腰伸肌疲勞后，動作幅度越大，腰椎本體感覺的敏感性越低。

Sparto等［55］應(yīng)用等速測功儀（美國產(chǎn)KIN-COM 500H）為受試者提供腰伸肌等長阻力，并要求受試者連續(xù)完成多個隨時間變化的伸腰力矩，受試者可以通過電腦顯示的實時力矩數(shù)值來調(diào)整自身伸展力矩的產(chǎn)生。測量結(jié)果顯示，相比于測試開始，持續(xù)一段時間后，軀干產(chǎn)生的伸展力矩相對于目標(biāo)力矩的相對誤差均方根明顯上升，增加了一倍；此外，相比于開始測量時的肌電增益信號，在測試末段腹內(nèi)斜肌、背闊肌、豎脊肌的肌電增益信號下降了17% 。說明，軀干在腰伸肌疲勞后，產(chǎn)生特定伸展力量的精確性下降，且肌肉產(chǎn)生最大力量的能力被疲勞影響［50，53，62］。

2.2 腰伸肌疲勞使腰椎關(guān)節(jié)本體感覺能力下降的生理學(xué)原因

本體感覺可用于描述關(guān)節(jié)中機(jī)械感受器控制的傳入和傳出通路之間的復(fù)雜關(guān)系［37，44］。已有研究發(fā)現(xiàn)，在外界壓力作用下，如肌肉疲勞或機(jī)械負(fù)荷情況下，腰椎本體感覺都會受到影響［4，5，60］。

現(xiàn)有研究認(rèn)為，疲勞引起的本體感覺下降似乎與肌梭功能適應(yīng)性改變有關(guān)。肌梭是涉及本體感受的主要機(jī)械性感受器［42，43］，肌梭功能適應(yīng)性變化是指由于肌肉疲勞引起了肌梭激活敏感性的降低，導(dǎo)致肌梭內(nèi)機(jī)械感受器感知刺激的閾值增加［40］。在肌肉持續(xù)次最大強(qiáng)度用力時記錄肌梭活動，結(jié)果顯示，在肌肉持續(xù)收縮一段時間后，肌梭放電下降，運動單位的激活率下降［3，33］。綜合現(xiàn)有研究，認(rèn)為肌肉疲勞后肌梭放電能力下降導(dǎo)致了肌梭內(nèi)機(jī)械感受器感知動作刺激的閾值增加，使肌梭應(yīng)對動態(tài)刺激的本體感覺傳入神經(jīng)沖動減少，造成本體感覺能力受損［4］。Swash及Fox［58］認(rèn)為，疲勞引起的這種肌梭功能調(diào)整可能是神經(jīng)退化的結(jié)果。但就目前而言，肌肉疲勞后肌梭放電下降導(dǎo)致肌梭機(jī)械感受器閾值升高的機(jī)制仍不清楚，這一機(jī)制值得在日后深入研究。

2.3 腰椎關(guān)節(jié)本體感覺能力下降對人體運動的負(fù)面影響

本體感覺，特別是來自于肌梭的本體感覺信息，在運動協(xié)調(diào)及關(guān)節(jié)穩(wěn)定等運動控制中扮演著十分重要的角色，并有助于對動作進(jìn)行即時修正，保證動作的精確性［40］。上述研究已經(jīng)證實，腰伸肌疲勞會降低腰椎本體感覺能力。而姿勢控制涉及到視覺、前庭、本體感覺等信息之間的交互作用，其中，本體感覺輸入扮演著重要角色。如果來自于這些感官系統(tǒng)的運動信息不一致，會導(dǎo)致感覺信息不匹配，倘若這種不匹配足夠大，則會在運動中產(chǎn)生空間定向障礙和眩暈感［28］，從而嚴(yán)重影響了運動動作的有效完成。本體感覺能力下降除造成姿勢控制能力下降，還會影響關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。由疲勞引起的腰椎關(guān)節(jié)本體感覺能力下降，表現(xiàn)為關(guān)節(jié)產(chǎn)生特定力矩的精確性下降。這就造成在維持腰椎穩(wěn)定時產(chǎn)生特定力矩的平順性下降，使腰椎無法時刻有精確的力矩來維持腰椎穩(wěn)定。

3 腰伸肌疲勞對脊柱穩(wěn)定性的影響

3.1 腰伸肌疲勞降低脊柱穩(wěn)定性的表現(xiàn)

脊柱穩(wěn)定性可被定義為脊柱剛度與脊柱感覺控制之間的協(xié)同作用［46］。脊柱的穩(wěn)定對于肢體遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)力量的產(chǎn)生及分配人體沖擊力負(fù)荷具有十分重要的作用［47］。而腰伸肌疲勞對軀干運動的主要影響之一，就是使脊柱的穩(wěn)定性明顯下降。脊柱穩(wěn)定性下降主要有以下表現(xiàn)：椎間關(guān)節(jié)剛度損失；脊柱椎間關(guān)節(jié)機(jī)動性增加；脊柱運動功能不正常，包括椎間旋轉(zhuǎn)比例的改變及椎間平移距離的改變；脊柱控制能力的損失等［48］。

Granata等［15］應(yīng)用Lyapunov exponent（李雅普諾夫指數(shù)，可用來描述一個動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性）測量腰伸肌疲勞是否會影響軀干運動穩(wěn)定性，結(jié)果顯示，腰伸肌疲勞會導(dǎo)致脊柱在矢狀面彎曲和伸展運動中動態(tài)穩(wěn)定性的明顯降低。這一測試直接證明了腰伸肌疲勞會造成脊柱在運動中穩(wěn)定性下降。此外，Parnianpour等［39］通過使受試者在矢狀面內(nèi)抵抗次最大強(qiáng)度阻力，完成腰部屈、伸運動，直到力竭。測量發(fā)現(xiàn)，受試者在完成以屈、伸為主的動作任務(wù)的后期，軀干在矢狀面上的運動幅度減小，而旋轉(zhuǎn)和側(cè)屈動作的量級增加。說明，腰伸肌疲勞使腰椎關(guān)節(jié)的機(jī)動性增加，影響了腰椎動作的穩(wěn)定性。

3.2 腰伸肌疲勞導(dǎo)致脊柱不穩(wěn)定的生理機(jī)制

腰伸肌疲勞后使人體產(chǎn)生了以下幾點變化造成了脊柱穩(wěn)定性的下降：1）腰伸肌疲勞降低了肌肉產(chǎn)生力量的能力，引起腰椎關(guān)節(jié)周圍力量分配不均衡，產(chǎn)生不正常的壓力分布［10］；2）腰伸肌疲勞改變了腰椎關(guān)節(jié)周圍肌肉激活的策略［29，57］，降低了腰腹肌肉協(xié)調(diào)共同激活來維持脊柱穩(wěn)定的生理過程；3）腰伸肌疲勞引起腰椎關(guān)節(jié)本體感覺能力下降，改變了關(guān)節(jié)周圍本體感受器的傳入沖動，進(jìn)而延長了肌肉激活的反應(yīng)時間［64］。

以往的研究將脊柱的穩(wěn)定系統(tǒng)分為3個子系統(tǒng)：由椎骨、椎間盤、韌帶組成的被動子系統(tǒng)；由脊柱周圍的肌肉和肌腱構(gòu)成的主動子系統(tǒng)，可將力量施加于脊柱；由中樞神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)成的神經(jīng)子系統(tǒng)，通過監(jiān)控各感受器來維持并調(diào)整脊柱穩(wěn)定性［38］。在日常生活中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)軀干伸肌及屈肌協(xié)調(diào)共同收縮來保持脊柱間穩(wěn)定性［63］，尤其是腹橫肌、豎脊肌、多裂?。?5］。而在腰伸肌疲勞后，包括豎脊肌在內(nèi)的肌肉由于疲勞而造成收縮能力降低，使腰腹部肌肉協(xié)調(diào)共同收縮能力下降。同時，次要肌群被過多激活，這就造成了原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)被打破，使脊柱處于非穩(wěn)定狀態(tài)。這一觀點在后來的研究中得到證實，Sparto等［55］在研究軀干神經(jīng)肌肉及脊柱在軀干伸肌疲勞后的表現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)，隨著豎脊肌的疲勞，軀干腹內(nèi)斜肌、背闊肌等次要肌肉隨著時間的延長激活也隨之增加，說明伸肌疲勞引起次要肌肉更多的激活來補(bǔ)償主要伸肌產(chǎn)生力量的能力下降。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，腰伸肌疲勞后，在人體矢狀面施加相當(dāng)于人體25%體重的外部負(fù)荷時，腹部肌肉的肌電活動相比于腰伸肌疲勞前明顯下降［22］。分析認(rèn)為，這一現(xiàn)象主要是腰伸肌疲勞后造成了腰腹部肌肉募集敏感性下降或神經(jīng)肌肉系統(tǒng)錯誤增加導(dǎo)致的。進(jìn)一步證明了腰伸肌疲勞后，肌肉募集策略在中樞神經(jīng)的調(diào)節(jié)下發(fā)生變化，腰腹肌協(xié)調(diào)共收縮能力受到限制，影響了脊柱的穩(wěn)定性。James等［26］發(fā)現(xiàn)，在腰伸肌疲勞后，軀干肌肉應(yīng)對外部負(fù)荷的反應(yīng)時間比腰伸肌疲勞前明顯增加。這種肌肉反應(yīng)延遲可以增加軀干對外部沖擊負(fù)荷的運動學(xué)反應(yīng)，增加了脊柱的運動負(fù)荷，降低腰椎的穩(wěn)定性，使下腰疼風(fēng)險提高。肌肉反應(yīng)延遲主要是由于疲勞引起了關(guān)節(jié)本體感覺能力發(fā)生了變化［34］。

3.3 脊柱穩(wěn)定性下降對人體運動的負(fù)面影響

3.3.1 脊柱椎間應(yīng)力產(chǎn)生變化增加了椎間盤的損傷風(fēng)險

腰伸肌疲勞導(dǎo)致脊柱不穩(wěn)定過程中，腰腹部肌肉募集模式的改變導(dǎo)致脊柱承受的外部負(fù)荷也隨之發(fā)生改變。雖然腰椎力矩輸出相對恒定，但腰椎主要穩(wěn)定肌肉激活的下降導(dǎo)致椎間承受的負(fù)荷更高；且腰伸肌疲勞會導(dǎo)致腰椎雙邊肌肉激活不對稱，進(jìn)而表現(xiàn)出脊柱側(cè)向剪應(yīng)力增加。此外，在持續(xù)的循環(huán)載荷下，疲勞會引起椎體終板耐受能力下降。最終導(dǎo)致椎間盤纖維應(yīng)力增加，造成了椎間纖維破裂的風(fēng)險［55］。

3.3.2 腰椎多余動作增加影響軀干完成動作的效率

在腰伸肌疲勞后，軀干主要動作完成精確度下降，次要動作的活動范圍增加。這種次要活動的增加主要是因為在完成目標(biāo)動作時，主要肌群功能水平下降，次要肌群被過多地激活，引起了人體無關(guān)動作的出現(xiàn)［54，61］。在次最大強(qiáng)度肌肉收縮過程中發(fā)現(xiàn)，運動單位的激活率下降，為保證肌肉力量的正常輸出，肌肉會增加額外運動單位的募集保持肌肉力量［32］。這種肌肉疲勞時表現(xiàn)出的募集補(bǔ)償策略可以優(yōu)化肌肉產(chǎn)生力量的能力。但同時造成人體無關(guān)動作的動作幅度增大，降低了動作的效率。這也是人體在疲勞時出現(xiàn)多余動作以及動作結(jié)構(gòu)改變的原因。

3.3.3 脊柱不穩(wěn)定不能為上、下肢的協(xié)調(diào)發(fā)力提供穩(wěn)定的支點

腰椎周圍肌肉是人體核心肌肉群的重要組成部分。核心穩(wěn)定被定義為控制軀干位置和軀干運動的能力。腰椎周圍既包括保持體位和控制人體局部環(huán)節(jié)運動的穩(wěn)定性肌肉，又包括分配外部作用力、轉(zhuǎn)移脊柱和骨盆負(fù)荷的運動性肌肉［47］。一旦由于疲勞引起腰部肌肉激活異常，則控制軀干正常位置、轉(zhuǎn)移外部負(fù)荷的能力會受到極大影響，最終導(dǎo)致人體動作效率下降。

4 腰伸肌疲勞改變腰椎-骨盆的運動節(jié)律

4.1 腰伸肌疲勞造成腰椎-骨盆運動節(jié)律改變的表現(xiàn)

腰伸肌疲勞后會改變腰椎關(guān)節(jié)相對于骨盆的運動節(jié)律，使腰椎-骨盆的運動比率明顯增加。有研究發(fā)現(xiàn)，腰伸肌疲勞后，受試者在提舉重物階段及放下重物階段都觀察到比腰伸肌疲勞前更高的腰椎旋轉(zhuǎn)角度，即腰椎-骨盆運動比率明顯增加［24］。腰椎-骨盆運動比率是指用腰椎旋轉(zhuǎn)的改變量除以骨盆旋轉(zhuǎn)的改變量。上述研究結(jié)果說明，在腰伸肌疲勞后，腰椎的活動范圍較未疲勞前更大，剛性下降。雖然腰伸肌疲勞后腰椎-骨盆運動比例明顯增加，但在同時期的研究中，Hu等［23］應(yīng)用腰椎-骨盆連續(xù)相對相位測量腰伸肌疲勞后腰椎骨盆的相對運動節(jié)律，發(fā)現(xiàn)受試者表現(xiàn)出明顯更低的平均腰椎-骨盆連續(xù)相對相位值［23，52］。也就是說，腰椎與骨盆的運動更加同步，這一現(xiàn)象的外在表現(xiàn)是腰椎-骨盆運動段更加單向性的旋轉(zhuǎn)。

4.2 腰伸肌疲勞改變腰椎-骨盆運動節(jié)律的原因

從上文的分析可以看出，腰伸肌疲勞可以使脊柱及腰椎-骨盆的運動范圍擴(kuò)大，造成脊柱及骨盆穩(wěn)定性下降。而腰伸肌疲勞引起的腰椎-骨盆協(xié)調(diào)同步性增加，會減小身體運動的動態(tài)復(fù)雜性［15］。這可在一定程度上減小由于腰伸肌疲勞而引發(fā)的脊柱及骨盆穩(wěn)定性下降，被認(rèn)為是一種潛意識的功能補(bǔ)償性反應(yīng)。而對于腰伸肌疲勞后腰椎-骨盆運動比率增加的原因，被認(rèn)為是疲勞使腰椎-骨盆的穩(wěn)定系統(tǒng)過早從肌肉穩(wěn)定系統(tǒng)過度到韌帶等粘彈性組織構(gòu)成的被動脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)。在對人體屈、伸運動的肌肉活動進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，健康受試者在完整完成軀干屈、伸運動時，可以觀察到腰椎段豎脊肌肌電活動隨著軀干彎曲而產(chǎn)生靜默現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為軀干彎曲松弛反應(yīng)（Flexion Relaxation Response）［7］。這一現(xiàn)象的生理機(jī)制是，在軀干彎曲過程中，負(fù)荷分配隨著軀干彎曲逐漸從以肌肉為主的主動結(jié)構(gòu)向以韌帶為主的被動結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，使肌電活動下降［14］。而在腰伸肌疲勞后測得這一現(xiàn)象的豎脊肌肌電靜默在軀干彎曲時出現(xiàn)更早，伸展時表現(xiàn)更晚［10］。說明，在腰伸肌疲勞后，軀干彎曲時過早將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到軀干被動穩(wěn)定系統(tǒng)中，在伸展時延遲將負(fù)荷從被動穩(wěn)定系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到主動穩(wěn)定系統(tǒng)中來。在腰伸肌疲勞后的腰椎-骨盆運動比率也受相同規(guī)律影響。腰伸肌疲勞后，軀干外部負(fù)荷被過早的過度到韌帶、肌腱彈性組織為主的被動穩(wěn)定系統(tǒng)中。為補(bǔ)償肌肉力量的過早消失，韌帶等彈性組織必須進(jìn)一步延長來施展更大的力量應(yīng)對外部負(fù)荷，這就需要腰椎進(jìn)一步彎曲，造成了腰椎-骨盆旋轉(zhuǎn)比例增加。

4.3 腰椎-骨盆運動節(jié)奏改變對人體及運動的負(fù)面影響

腰椎-骨盆運動節(jié)奏改變主要導(dǎo)致兩個結(jié)果，引發(fā)下腰部疼痛等癥狀及改變?nèi)梭w運動技術(shù)原有的結(jié)構(gòu)。腰伸肌疲勞引起腰椎-骨盆運動比率增加，并使腰椎-骨盆的穩(wěn)定性下降。這會造成人體在完成提舉任務(wù)時，腰椎-骨盆彎曲峰值角度的增加，并使軀干在彎曲過程中，腰部肌肉和韌帶之間的負(fù)荷分配機(jī)制產(chǎn)生改變，使負(fù)荷更早轉(zhuǎn)移到脊柱粘彈性組織中。此時，腰椎韌帶到腰骶關(guān)節(jié)中心的力臂要比腰椎肌肉到腰骶關(guān)節(jié)中心的力臂更短，使被動組織承受的旋轉(zhuǎn)力矩更大。這會潛在導(dǎo)致脊柱承受壓縮力及椎間剪應(yīng)力升高，從而增加下腰疼的風(fēng)險［49］。另外，由于腰伸肌疲勞造成的腰椎-骨盆運動同步性增強(qiáng)，降低了軀干運動動作的復(fù)雜性，必然限制復(fù)雜運動技術(shù)的完成，削弱動作效率。

5 腰伸肌疲勞引起人體平衡能力下降，改變了人體保持平衡的策略

5.1 腰伸肌疲勞引起人體平衡能力下降的表現(xiàn)及原因

姿勢晃動的增加表明人體平衡能力衰退，且這一現(xiàn)象常伴隨著腰伸肌疲勞而出現(xiàn)［36］。有研究應(yīng)用人體重心平均移動速度及重心晃動面積作為姿勢晃動指標(biāo)，對比腰伸肌疲勞前、后，人體靜止站立時的身體晃動情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在腰伸肌疲勞后人體重心平均移動速度增加了29%（P＜0.001），重心晃動面積增加了28%（P＜0.001）［9］。重心晃動速度及位移的顯著增加，說明腰伸肌疲勞后人體原有的平衡穩(wěn)定被打破，使人體摔倒的風(fēng)險提高。

造成人體晃動的主要原因可能是維持人體平衡的主要關(guān)節(jié)受局部肌肉疲勞影響造成本體感覺能力下降。當(dāng)調(diào)節(jié)軀干位置的本體感覺反饋由于腰伸肌疲勞而受到損害，腰椎關(guān)節(jié)會產(chǎn)生比預(yù)期更大的腰椎角度，這種運動會在靜止站立時導(dǎo)致更大的身體重心位移。踝關(guān)節(jié)本體感覺能力在保持平衡中也具有十分重要的作用。Pline等［41］在多關(guān)節(jié)測力儀上測量受試者在腰伸肌疲勞前、后，重新呈現(xiàn)原始踝關(guān)節(jié)跖屈和背屈角度的誤差。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腰伸肌疲勞引起了踝關(guān)節(jié)本體感覺誤差得分相比于未疲勞前增加了6%（P=0.31）。說明，腰伸肌疲勞可能引發(fā)了中樞處理本體感覺信號的能力被削弱，使踝關(guān)節(jié)本體感覺能力受到影響，引起了人體姿勢晃動增加［13］。由于肌肉疲勞而引起的關(guān)節(jié)本體感覺信號損害會延遲穩(wěn)定肌肉的激活，降低肌肉力量的平滑輸出，造成姿勢晃動。

5.2 腰伸肌疲勞引起人體平衡策略改變的表現(xiàn)

平衡策略是為維持身體平衡，人體各環(huán)節(jié)所表現(xiàn)出的生物力學(xué)特征的集合。也可稱之為人體為維持平衡所表現(xiàn)出的姿勢策略。姿勢策略的改變主要從人體多環(huán)節(jié)的運動生物力學(xué)特征變化來體現(xiàn)。

腰伸肌疲勞后，人體靜止站立表現(xiàn)出身體前傾的姿勢策略。Wilson等［65］測量受試者腰伸肌疲勞后人體重心的位置發(fā)現(xiàn)：人體重心相對于踝關(guān)節(jié)點的位置，疲勞后比疲勞前向前增加了1.1 cm（P＜0.012）。說明腰伸肌疲勞后，人體重心前移，人體略前傾。這種人體姿態(tài)的前傾，增加了下肢關(guān)節(jié)角度和角速度的可變性，從而使人體平衡策略發(fā)生變化。在腰伸肌疲勞后，人體靜止站立時，發(fā)現(xiàn)受試者下肢踝關(guān)節(jié)跖屈力矩下降3.2 N?m；髖關(guān)節(jié)伸肌力矩增加10.2 N?m；踝關(guān)節(jié)峰值跖屈角度增加2.5°，峰值腰椎彎曲增加6.3°［65］。上述結(jié)果顯示，腰伸肌疲勞后人體靜止站立表現(xiàn)出多關(guān)節(jié)前屈，使人體重心前移的姿態(tài)策略，且這一策略更加倚重于髖關(guān)節(jié)的力矩主導(dǎo)。

在研究腰伸肌疲勞后的慢跑動作時發(fā)現(xiàn)，腰伸肌疲勞后，健康受試者在慢跑動作中表現(xiàn)出腰椎伸展角度降低，這反映腰椎前凸角度損失及軀干彎曲角度增加［20］。說明人體在腰伸肌疲勞后的慢跑中身體也表現(xiàn)出前傾姿態(tài)。且在腰伸肌疲勞后的慢跑姿勢中發(fā)現(xiàn)，下肢擺動末期及站立初期表現(xiàn)出過度膝關(guān)節(jié)屈曲，呈現(xiàn)出蹲伏步態(tài)［35］。這種蹲伏步態(tài)可以補(bǔ)償性的使軀干更加直立，是對身體過度前傾的適應(yīng)性機(jī)制［20，51］。慢跑中膝關(guān)節(jié)屈曲幅度的增加，主要是由于腰伸肌疲勞引發(fā)的股四頭肌激活效率下降，使膝關(guān)節(jié)伸肌力矩下降［21］。

5.3 平衡策略改變對人體運動的負(fù)面影響

腰伸肌疲勞后人體呈現(xiàn)出前傾的身體姿勢策略，脊柱表現(xiàn)出更大的彎曲。有研究指出，更強(qiáng)的腰椎肌肉激活伴隨著更多的腰椎段脊柱及軀干彎曲［12］。說明脊柱彎曲增加可以提供更好的人體動態(tài)穩(wěn)定性。然而，在長時間的人體運動中，這些肌肉的疲勞風(fēng)險也會隨之增加。同時，改變?nèi)梭w軀干和腰椎固有位置可能改變椎間關(guān)節(jié)的壓力負(fù)荷，增加椎間盤的壓縮負(fù)荷及髓核壓力［2］。這可以導(dǎo)致椎間盤前后面壓力和張力的異常，增加了下腰疼癥狀的可能性。此外，前屈的軀干姿勢引起椎間液體流失以及養(yǎng)分向椎間盤的擴(kuò)散，長期使脊柱處于這一狀態(tài)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化。

腰伸肌疲勞后引起了股四頭肌抑制增加以及踝關(guān)節(jié)本體感覺能力下降，這些因素導(dǎo)致了人體在運動中下肢姿勢策略改變，從而影響了下肢站立及步態(tài)的關(guān)節(jié)力學(xué)特征。下肢運動力學(xué)的改變會對關(guān)節(jié)面施加非常規(guī)的力量和力矩，導(dǎo)致?lián)p傷或關(guān)節(jié)退化。前交叉韌帶重建者表現(xiàn)出膝關(guān)節(jié)矢狀面上力矩的改變，與受抑制和衰弱的股四頭肌受試者表現(xiàn)出的特征相同［30］。這些人群中較高的關(guān)節(jié)炎發(fā)病率就與下肢運動學(xué)特征改變有關(guān)。此外，下肢肌肉活動能力下降，在緩沖沖擊力負(fù)荷時，影響了下肢吸收能量的能力，會傳遞更多的力量到腰部，提高腰部損傷的風(fēng)險。

6 對抗腰伸肌疲勞提高運動技術(shù)質(zhì)量的研究

6.1 促進(jìn)人體本體感覺能力的研究

日常訓(xùn)練中提高本體感覺能力有助于抵抗訓(xùn)練及比賽中出現(xiàn)的肌肉疲勞。神經(jīng)-肌肉訓(xùn)練可以提高關(guān)節(jié)的本體感覺能力，但這種提高會在2周后完全消失［34］。因此，在日常訓(xùn)練中應(yīng)該保證神經(jīng)肌肉刺激訓(xùn)練的時長和頻率，促進(jìn)運動員本體感覺能力的發(fā)展。

研究發(fā)現(xiàn)，動態(tài)關(guān)節(jié)控制訓(xùn)練可以潛在的提高關(guān)節(jié)肌肉的反應(yīng)能力［25］。Ju等［27］通過測量膝關(guān)節(jié)重復(fù)主動運動及重復(fù)被動活動，檢驗主動活動和被動活動對關(guān)節(jié)本體感覺能力的影響，發(fā)現(xiàn)重復(fù)主動運動后，關(guān)節(jié)的重新定位誤差表現(xiàn)出明顯的增加，但在重復(fù)被動運動中重新定位誤差明顯降低。關(guān)節(jié)被動活動是指關(guān)節(jié)肌肉在外力牽拉作用下運動學(xué)特征改變的運動。這一研究說明，關(guān)節(jié)重復(fù)被動活動具有提高關(guān)節(jié)位置感覺能力的作用。另外，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，局部肌肉振動刺激可以增強(qiáng)疲勞后肌肉運動神經(jīng)元的神經(jīng)輸入，并可以短暫恢復(fù)運動單位的放電率，潛在的阻止肌肉疲勞時肌梭放電下降的現(xiàn)象［16］。但這種振動刺激是否可以緩解健康人群在腰伸肌疲勞時引起的本體感覺下降，還存在爭議。Boucher等［5，6］就發(fā)現(xiàn)，振動刺激可以明顯降低健康受試者產(chǎn)生特定力量的精確性，認(rèn)為振動刺激會干擾人體的本體感覺信號，造成軀干產(chǎn)生力量精確性的下降。但目前的研究都基本認(rèn)同，振動刺激可以提高下腰疼患者軀干感覺運動的靈敏性。

6.2 提高脊柱或腰椎骨盆穩(wěn)定性的研究

自主腹部肌肉激活（Volitional Abdominal Muscle Recruitment）可以提高腰椎-骨盆的穩(wěn)定性，預(yù)防腰伸肌疲勞引起的腰部及下肢運動損傷。有研究發(fā)現(xiàn)，在腰伸肌疲勞后，雙邊腹內(nèi)斜肌和豎脊肌在突然外部負(fù)荷施加于人體之前，激活活動就開始增加了［22］。分析認(rèn)為，腰伸肌疲勞引起了腹部肌肉的基礎(chǔ)活動增加，來應(yīng)對即將發(fā)生的外部負(fù)荷擾動。有實驗發(fā)現(xiàn)，自主預(yù)先腹部肌肉收縮使脊柱以及腰椎-骨盆的穩(wěn)定性增加，并且改善了下肢神經(jīng)肌肉控制能力［17，19］。例如，腹部預(yù)先收縮降低了腰伸肌疲勞對人體下肢落地造成的不良影響，減少落地時下肢損傷的風(fēng)險［8，18］。這一機(jī)制是由于腹部肌肉預(yù)先收縮，提高了腰部肌群協(xié)調(diào)共收縮的能力，同時提高了腹腔壓力，增加了脊柱壓縮力量［11］，進(jìn)一步限制了脊柱的運動，使脊柱“剛性”加強(qiáng)。因此，可通過刻意增加腹部肌肉預(yù)先收縮來進(jìn)一步提高腹部肌肉的激活水平，進(jìn)而防止腰伸肌疲勞引起的腰椎-骨盆不穩(wěn)定及下肢生物力學(xué)特征異常等現(xiàn)象。

7 小結(jié)

通過對腰伸肌疲勞相關(guān)文獻(xiàn)的分析，發(fā)現(xiàn)腰伸肌疲勞主要從4個方面影響人體的運動：1）降低腰椎關(guān)節(jié)的本體感覺能力；2）影響人體運動中脊柱的動態(tài)穩(wěn)定性；3）改變腰椎-骨盆運動節(jié)律；4）使人體平衡策略發(fā)生改變。引起人體這些機(jī)能及結(jié)構(gòu)改變的原因，主要是腰伸肌疲勞導(dǎo)致了神經(jīng)調(diào)節(jié)過程的改變，造成了多個關(guān)節(jié)本體感覺能力下降以及關(guān)節(jié)周圍肌肉募集策略的變化。這些機(jī)能及結(jié)構(gòu)改變對人體運動產(chǎn)生了很多負(fù)面的影響，主要體現(xiàn)在完成指定動作的效率大打折扣以及使運動損傷的風(fēng)險大幅提高。通過文獻(xiàn)研究還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的對抗腰伸肌疲勞，提高運動效率的訓(xùn)練方法和手段較為有限，難以為抗疲勞訓(xùn)練提供有效的理論指導(dǎo)，需要加大研究力度。

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Effects of Lumbar Extensor Fatigue on Human Body Movements and Physiological Mechanism Analysis

XING Cong1，2，WU Ying1，2，XIANG Xian-lin1，2，GENG Jia-xian1，2，ZHAO Xiao-yu1，2

腰伸肌疲勞是影響人體運動的重要因素，以“Lumbar Extensor Fatigue/Lumbar Muscles Fatigue（腰伸肌疲勞/腰部肌肉疲勞）”為主題詞在PubMed 及Web of Science數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行文獻(xiàn)檢索并對文獻(xiàn)進(jìn)行篩選。目的是分析腰伸肌疲勞后人體運動動作產(chǎn)生的生物力學(xué)特征變化及生理學(xué)原因。結(jié)果：腰伸肌疲勞對人體運動有4個方面的影響，降低腰椎關(guān)節(jié)的本體感覺能力，影響人體運動中脊柱的動態(tài)穩(wěn)定性，改變腰椎-骨盆運動節(jié)律，使人體平衡策略發(fā)生改變；造成人體動作結(jié)構(gòu)改變的生理原因是腰伸肌疲勞引起了神經(jīng)調(diào)節(jié)過程的改變，導(dǎo)致多個關(guān)節(jié)本體感覺能力下降以及關(guān)節(jié)周圍肌肉募集策略改變；這些機(jī)能及結(jié)構(gòu)改變使人體完成指定動作的效率下降并使運動損傷的風(fēng)險提高；目前對抗腰伸肌疲勞手段的研究較為薄弱，難以系統(tǒng)地為預(yù)防和緩解腰伸肌疲勞的訓(xùn)練提供理論支持。

腰伸肌疲勞；腰椎關(guān)節(jié)本體感覺；脊柱穩(wěn)定性；腰椎-骨盆運動節(jié)律

Lumbar extensor fatigue is one of the important factor affecting human movement. In this paper，we use the words “Lumbar Extensor Fatigue/Lumbar Muscles Fatigue” as topic retrieve literatures in the PubMed and Web of Science database. The purpose is to analyze what kind of changes would occur about human movement biomechanical characteristics，and the physiological causes after lumbar extensor muscle fatigue. Result：Lumbar extensor fatigue have four aspects of influence on the human body movement，decline proprioception ability of the lumbar spine joints，influence the dynamic stability of the spine in human movement，change the lumbar—pelvis motion rhythm，and change the body strategy of keep human balance；Lumbar extensor fatigue caused the motor nerve function adjustment ，led to multiple joints proprioception decrease and the muscles around these joints recruitment strategy was changed；These functions and structures change decline the efficiency of human body complete the target movement and rise the risk of sports injury. Current prevent lumbar extensor fatigue researches are so less that hard to provide beneficial theoretical support to prevent or alleviate lumbar extensor fatigue.

lumbar extensor fatigue；lumbar proprioception；spinal instability；lumbar-pelvis motion rhythm

G804.2

A

1000-677X（2017）07-0083-07

10. 16469/j. css. 201707010

2017-03-13；

2017-05-21

上海體育學(xué)院研究生創(chuàng)新計劃（yjscx2016008）。

邢聰，男，博士研究生，主要研究方向為運動與人體健康，E-mail：feiren-cong1234@163.com。

1.上海體育學(xué)院，體育教育訓(xùn)練學(xué)院，上海 200438；2.國家體育總局運動技戰(zhàn)術(shù)診斷與分析實驗室，上海200438 1.Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；2.Key laboratory of Sport Skill and Tactic Diagnosis and Analysis，General Administration of Sport of China，Shanghai 200438，China.